JP2019197394A - Unique data generation device, semiconductor device, and authentication system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置に固有のデータを生成するための固有データ生成装置に関する。 The present invention relates to a unique data generation apparatus for generating data unique to a semiconductor device.
近年、電子デバイスや電子装置のセキュリティの強化に伴い、そこに実装される半導体装置の偽造や模倣の対策が求められている。ある方法では、半導体装置に固有情報を与えておき、固有情報が認証された場合には、当該半導体装置が真正なものとして半導体装置や電子機器の動作を許可している。昨今では、固有情報として、物理的にクローンの作製をすることができないPUF(Physical Unclonable Function)が注目されている。PUFは、予測不可能であり、秘匿性が高くかつ恒久性のある物理的情報を固有情報として用いるものである。 In recent years, with the strengthening of security of electronic devices and electronic devices, countermeasures against counterfeiting and imitation of semiconductor devices mounted thereon are required. In one method, unique information is given to a semiconductor device, and when the unique information is authenticated, the semiconductor device and the electronic device are permitted to operate as authentic. In recent years, attention has been paid to PUF (Physical Unclonable Function), which cannot be physically cloned, as unique information. The PUF uses physical information that is unpredictable, highly confidential, and permanent as unique information.
PUFは、暗号のキー生成だけでなく、セキュリティや認証等のアプリケーションへの使用が増加している。PUFにとって重要な特徴は、信用されるランダムキーを生成するために、製造されたデバイスにおける小さなランダムな変動の信頼性を保証することである。大部分のPUF設計は、伝播遅延時間、内部の電流や電圧のようなプロセスのバラツキを利用することに焦点を当てている。PUFは、指紋のようなデバイスに固有であるランダムな変数に基づき、入力と出力との間の関係(すなわち、チャレンジとレスポンスとのペア(CRP)と呼ばれている)を規定する(例えば、特許文献1、非特許文献1、2)。
PUFs are used not only for cryptographic key generation but also for applications such as security and authentication. An important feature for the PUF is to ensure the reliability of small random variations in the manufactured device in order to generate a trusted random key. Most PUF designs focus on taking advantage of process variations such as propagation delay time, internal current and voltage. A PUF is based on a random variable that is unique to a device, such as a fingerprint, and defines a relationship between input and output (ie, called a challenge-response pair (CRP)) (eg,
もし、ランダムの変動が相対的に非常に小さいならば、PUFの入力と出力との関係は、電源電圧レベルやデバイスの動作温度等の環境条件に対して非常にセンシティブになり得る。従って、従来のPUF技術は、高集積回路により多くのCRPを利用する必要があり、かつ、ランダムな変動の特徴を抽出するために複雑な処理機能を備える必要があった。 If the random variation is relatively small, the PUF input and output relationship can be very sensitive to environmental conditions such as power supply voltage level and device operating temperature. Therefore, the conventional PUF technology needs to use more CRPs in a highly integrated circuit, and has to have a complicated processing function in order to extract features of random fluctuations.
本発明は、上記した従来の課題を解決するものであり、コスト効果的な回路で安定した信頼性の高い固有データを提供することができる固有データ生成装置を提供することである。 The present invention solves the above-described conventional problems, and provides a unique data generation apparatus capable of providing stable and highly reliable unique data with a cost effective circuit.
本発明の固有データ生成装置は、変調を制御するための変調制御信号に基づき信号を変調し、変調された変調信号を出力する変調手段と、デバイスに固有であるランダムな変動に基づき入力データと出力データとの間の関係を規定し、かつ前記変調信号に基づき前記出力データを変化させるPUF手段と、前記PUF手段から出力された出力データに基づき固有データを生成し、生成した固有データを出力する固有データ出力手段とを有する。 The specific data generating apparatus of the present invention modulates a signal based on a modulation control signal for controlling modulation, outputs a modulated signal, and input data based on random fluctuations specific to the device. PUF means for defining the relationship between the output data and changing the output data based on the modulation signal; generating unique data based on the output data output from the PUF means; and outputting the generated unique data Specific data output means.
ある実施態様では、前記変調手段は、前記変調制御信号に基づき電圧レベルを変調し、
前記PUF手段は、電圧レベルの変調に応答して前記出力データを変化させる。ある実施態様では、前記変調手段は、m段階で電圧レベルを変調し(mは、2以上の整数)、前記PUF手段は、m段階の電圧レベルの変調に応答してm個の出力データを出力し、前記固有データ出力手段は、予め規定されたロジックに基づきm個の出力データを1つの固有データに変換する。ある実施態様では、固有データ生成装置はさらに、前記変調制御信号を生成する変調制御手段を含み、前記入力データは、前記変調制御信号のデータパターンに関連付けされたデータパターンを有する。ある実施態様では、前記データパターンは、クロック信号である。ある実施態様では、固有データ生成装置はさらに、前記変調制御信号に応答して前記PUF手段から出力される出力データを保持する保持手段を含み、前記保持手段は、1つまたは複数の出力データを前記固有データ出力手段に提供する。ある実施態様では、前記PUF手段は、複数の入力データを入力する入力バスと、複数の複数の出力データを出力する出力バスとを含み、前記固有データ出力手段は、前記出力バスから出力された複数の出力データに基づき固有データを生成する。ある実施態様では、前記変調手段は、前記変調制御信号に基づき電流レベルを変調し、前記PUF手段は、電流レベルの変調に応答して出力データを変化させる。ある実施態様では、前記変調手段は、前記変調制御信号に基づきトリミングデータを変調し、前記PUF手段は、トリミングデータの変調に応答して出力データを変化させる。
In one embodiment, the modulation means modulates a voltage level based on the modulation control signal,
The PUF means changes the output data in response to voltage level modulation. In one embodiment, the modulating means modulates the voltage level in m stages (m is an integer greater than or equal to 2), and the PUF means outputs m output data in response to the modulation of the m stages of voltage levels. The unique data output means outputs m pieces of output data to one unique data based on a predetermined logic. In one embodiment, the unique data generating apparatus further includes modulation control means for generating the modulation control signal, and the input data has a data pattern associated with a data pattern of the modulation control signal. In one embodiment, the data pattern is a clock signal. In one embodiment, the unique data generating apparatus further includes holding means for holding output data output from the PUF means in response to the modulation control signal, and the holding means stores one or more output data. Provided to the unique data output means. In one embodiment, the PUF means includes an input bus for inputting a plurality of input data and an output bus for outputting a plurality of output data, and the unique data output means is output from the output bus. Specific data is generated based on a plurality of output data. In one embodiment, the modulation means modulates a current level based on the modulation control signal, and the PUF means changes output data in response to the modulation of the current level. In one embodiment, the modulation means modulates trimming data based on the modulation control signal, and the PUF means changes output data in response to the modulation of the trimming data.
本発明に係る半導体装置は、上記構成の固有データ生成装置と、特定の機能を実行する回路と、少なくとも前記固有データ生成手段にそれぞれ接続された外部端子とを有し、前記外部端子は、前記固有データを外部に出力する。 A semiconductor device according to the present invention includes a unique data generation device having the above-described configuration, a circuit that executes a specific function, and at least an external terminal connected to each of the unique data generation means. Output unique data to the outside.
本発明に係る認証システムは、上記構成の半導体装置と、前記半導体装置に接続されたホスト装置とを含み、前記ホスト装置は、前記半導体装置から出力される固有データに基づき前記半導体装置の認証を行う。 An authentication system according to the present invention includes a semiconductor device configured as described above and a host device connected to the semiconductor device, and the host device authenticates the semiconductor device based on unique data output from the semiconductor device. Do.
本発明によれば、PUF手段は変調信号に基づき出力データを変化させるようにしたので、環境条件の影響を受け難い出力データを提供することができ、その結果、固有データの安定性、信頼性を改善することができる。さらに、変調信号に基づき出力データを変化させる構成は、簡易であり、低コスト化を図ることができる。 According to the present invention, since the PUF means changes the output data based on the modulation signal, it is possible to provide the output data that is not easily affected by the environmental conditions, and as a result, the stability and reliability of the inherent data. Can be improved. Furthermore, the configuration for changing the output data based on the modulation signal is simple, and the cost can be reduced.
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。本発明の固有データ生成装置は、半導体装置等のデバイスに固有の固有データを生成する。本発明の固有データ生成装置は、半導体装置または電子デバイスに搭載され、これらの認証システムまたはセキュリティシステムに利用される。本発明に係る半導体装置は、固有データ生成装置の他に、任意の特定の機能を実行するための回路を包含することができる。半導体装置は、例えば、半導体メモリ、半導体ロジック、半導体処理回路、半導体駆動回路、中央処理回路等であり得る。また、半導体装置は、例えば、ICカード媒体(例えば、SIMMカード、クレジットカード、ICが内蔵されたカード)、スマートフォンなどの携帯端末、電子機器、コンピュータ等、認証やセキュリティが求められるあらゆる電子装置において使用することができる。 Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The unique data generation apparatus of the present invention generates unique data unique to a device such as a semiconductor device. The unique data generation apparatus of the present invention is mounted on a semiconductor device or an electronic device, and is used for such an authentication system or a security system. The semiconductor device according to the present invention can include a circuit for executing any specific function in addition to the unique data generation device. The semiconductor device can be, for example, a semiconductor memory, a semiconductor logic, a semiconductor processing circuit, a semiconductor driving circuit, a central processing circuit, or the like. Semiconductor devices are used in all electronic devices that require authentication and security, such as IC card media (for example, SIMM cards, credit cards, cards with built-in ICs), mobile terminals such as smartphones, electronic devices, and computers. Can be used.
図1は、本発明の実施例に係る固有データ生成装置の内部構成を示すブロック図である。本実施例に係る固有データ生成装置10は、変調を制御するための変調制御信号CNTを出力する変調制御部20と、変調制御信号CNTに基づき信号を変調し、変調された変調信号MODを出力する変調部30と、入力と出力との間にランダム性のある固有の関係を規定し、当該ランダム性のある固有の関係にある出力を変調信号MODによって変調または変化させるPUF回路40と、変調制御信号CNTに応答してPUF回路40からの出力データDoutを保持するデータ保持部50と、データ保持部50に保持された出力データDoutに基づき固有データPUFoutを出力する固有データ出力部60とを有する。
FIG. 1 is a block diagram showing an internal configuration of a unique data generation apparatus according to an embodiment of the present invention. The unique data generation apparatus 10 according to the present embodiment modulates a signal based on the modulation control signal CNT and outputs a modulation signal MOD that is modulated based on the modulation control signal CNT and outputs a modulation control signal CNT for controlling modulation. A
変調制御部20は、変調部30の変調を制御するための変調制御信号CNTを変調部30へ出力する。変調制御信号CNTは、特に限定されないが、例えば、変調パターンまたは変調シーケンスを規定する信号、クロック信号、またはパルス信号であることができる。
The modulation control unit 20 outputs a modulation control signal CNT for controlling the modulation of the
変調部30は、変調制御信号CNTに基づき変調信号MODを出力する。変調信号MODは、例えば、電圧レベル、電流レベル、回路をトリミングをするためのトリミングデータ等を変調した信号である。例えば、変調制御信号CNTがクロック信号であるとき、変調部30は、クロック信号の立ち上がりエッジまたは立下りエッジに応答して電圧レベルを変調した信号をPUF回路40に出力する。
The
PUF回路40は、入力データDinと出力データDoutとの間に、ランダム性のあるデバイスに固有の関係を規定する。PUF回路40は、例えば、回路素子や回路の電流、電圧、伝播遅延時間等のプロセスのバラツキを利用し、入力データDinに対する固有の出力データDoutを出力する。
The
PUF回路40に入力される入力データDinは、変調制御信号CNTに関連付けまたはタグ付けされたデータである。例えば、入力データDinは、変調制御信号CNTと同じようなデータパターンまたは信号を有する。さらに本実施例のPUF回路40は、変調部30から出力される変調信号MODによって出力データDoutを変調または変化させる。つまり、同一の入力データDinであっても、変調信号MODに応じて出力データDoutが変化する。
Input data Din input to the
データ保持部50は、変調制御信号CNTに応答して、PUF回路40から出力される出力データDoutを保持する。データ保持部50によって保持される出力データDoutの数は任意であり、1つまたは複数である。データ保持部50は、保持した出力データDoutを固有データ出力部60へ出力する。
The
固有データ出力部60は、1つまたは複数の出力データDoutに基づき固有データPUFoutを生成し、これを外部に出力する。固有データ出力部60は、予め決められたロジック機能、例えば、重み付けマジョリティ(過半数)ロジック、確率機能、またはEXORやEXNORなどの一致回路や反一致回路等を用い、外部から1つまたは複数の出力データDoutを固有データPUFoutに変換する。また、ある実施態様では、PUF回路40によって生成される出力データDoutの再現性を補償するため、固有データ出力部60は、外部データを用いた内部演算あるいはそれ自身の内部演算により、不安定なPUFoutの一部をマスクするようにしてもよい。
The unique
本実施例の固有データ生成装置10は、変調信号MODに基づきPUF回路40の出力を変化させるようにしたので、電源電圧や動作温度等の環境条件の影響を受け難い安定性のある信頼性の高い固有データを生成することができる。
Since the unique data generation apparatus 10 of the present embodiment changes the output of the
次に、本実施例の固有データ生成装置の具体的な構成について説明する。図2は、本実施例のPUF生成装置の内部構成を示すブロック図である。同図に示すように、PUF生成装置100は、電圧変調制御部110と、電圧変調部120と、PUF回路130と、データサンプラー140と、PUFデータ出力部150とを備えて構成される。
Next, a specific configuration of the unique data generation apparatus according to the present embodiment will be described. FIG. 2 is a block diagram illustrating an internal configuration of the PUF generation apparatus according to the present embodiment. As shown in the figure, the
電圧変調制御部110は、電圧を変調させるための電圧変調制御信号Vcを電圧供給部120へ出力する。電圧変調制御信号Vcは、電圧変調を規定するためのシーケンシャルなパターンを示す信号であり、このシーケンシャルなパターンは、PUF回路130の入力データDinのパターンにタグ付け(関連付け)される。電圧変調制御信号Vcは、例えば、一定の周波数を有するクロック信号であることができる。電圧変調部120は、電圧変調制御信号Vcを受け取り、当該電圧変調制御信号Vcに応答して電圧レベルを変調し、電圧レベルを変調した変調信号VmをPUF回路130へ出力する。
The voltage modulation control unit 110 outputs a voltage modulation control signal Vc for modulating the voltage to the
PUF回路130は、変調信号Vmを受け取り、変調信号Vmに応じて、入力データDinに対する固有の出力データDoutを変化または変調する。入力データDinは、例えば、電圧変調信号Vcを遅延したこれと同じデータパターンであってもよい。PUF回路130によって出力データDoutが出力される期間中、PUF回路130に供給される電圧レベルは動的に変化する。
The
PUF回路130は、デバイスに固有のランダム性のある入力と出力の関係が電圧に依存する電圧依存回路132を含む。電圧依存回路132の動作電圧として変調信号Vmが供給され、電圧依存回路132は、変調信号Vmに応じた出力データDoutを出力する。電圧依存回路132の構成は特に限定されないが、その一例を図3に示す。同図に示すように、電圧依存回路132は、複数のインバータIN−1、IN−2、…、IN−nと、複数のコンパレータCMP−1、CMP−2、…、CMP−nと、ロジック134とを含む(なお、インバータやコンパレータ等を総称するとき、インバータIN、コンパレータCMPと言う)。
The
インバータINは、例えば、プルアップ抵抗とNMOSトランジスタとを直列に接続して構成され、インバータINの動作電圧には、変調信号Vmが供給され、トランジスタのゲートには、電圧変調制御信号Vcに関連する入力データDinが印加される。コンパレータCMPの一方の入力には、インバータINの出力電圧Voutが供給され、他方の入力には、基準電圧Vrefが供給される。コンパレータCMPは、出力電圧Voutと基準電圧Vrefとを比較し、その比較結果を出力データDoutとして出力する。 The inverter IN is configured, for example, by connecting a pull-up resistor and an NMOS transistor in series, the modulation signal Vm is supplied to the operating voltage of the inverter IN, and the gate of the transistor is related to the voltage modulation control signal Vc. Input data Din to be applied is applied. The output voltage Vout of the inverter IN is supplied to one input of the comparator CMP, and the reference voltage Vref is supplied to the other input. The comparator CMP compares the output voltage Vout and the reference voltage Vref, and outputs the comparison result as output data Dout.
インバータIN−1、IN−2、…、IN−nには、それぞれ抵抗値が異なる抵抗R1、R2、…、Rnが接続され、出力電圧Vout−1、Vout−2、…、Vout−nには、それぞれ異なる電圧が生成される。ロジック134は、コンパレータCMP−1、CMP−2、…、CMP−nの比較結果を受け取り、予め決められた論理回路に基づき出力データDoutを出力する。インバータINを構成する抵抗、トランジスタ、配線等の特性は、チップ間またはデバイス間のプロセスのバラツキにより相違する。従って、出力電圧Vout−1、Vout−2、…、Vout−nは、デバイス間で異なり、つまり、コンパレータCMP−1、CMP−2、…、CMP−nの比較結果はデバイス間で異なり、それ故、ロジック134の出力データDoutは、デバイス固有のデータとなり得る。
Resistors R1, R2,..., Rn having different resistance values are connected to the inverters IN-1, IN-2,..., IN-n, respectively, and output voltages Vout-1, Vout-2,. Different voltages are generated. The
プロセスのバラツキは、デバイスに固有な情報となり得るが、このバラツキは非常に小さく、電源電圧や動作温度等の環境条件に対してもセンシティブである。つまり、環境条件に左右されずに僅かなバラツキを識別するためには、非常に高精度な回路が必要になる。仮に、インバータINの出力電圧Voutが環境条件により変化幅ΔVで変化すると、コンパレータCPMは、出力電圧Vout±ΔVと基準電圧Vrefをと比較することになり、本来のプロセルのバラツキにより生成される出力電圧Voutと基準電圧Vrefとの差を保証することができなくなる可能性があり、この場合、デバイス固有の出力データDoutを生成することが難しくなってしまう。 Process variations can be device-specific information, but the variations are very small and are sensitive to environmental conditions such as power supply voltage and operating temperature. In other words, a highly accurate circuit is required to identify slight variations regardless of environmental conditions. If the output voltage Vout of the inverter IN changes with the change width ΔV due to environmental conditions, the comparator CPM compares the output voltage Vout ± ΔV with the reference voltage Vref, and the output generated due to variations in the original process cell. There is a possibility that the difference between the voltage Vout and the reference voltage Vref cannot be guaranteed. In this case, it becomes difficult to generate output data Dout unique to the device.
本実施例では、動作電圧Vmを変調することで、インバータINの出力電圧Voutを強制的に大きく変化させ、環境条件に左右されないように、頑強でかつ信頼性の高いデバイス固有の出力データDoutを得る。ある実施態様では、環境条件による出力電圧Voutの変化幅がΔVであるとき、動作電圧Vmの変化によるインバータINの出力電圧Voutの変化幅Vxは、例えば、Vx>ΔVである。このとき、コンパレータCMPの基準電圧Vrefを、動作電圧Vmの変化した値に応じた電圧レベルに動的に変化させてもよいし、そのまま固定であってもよい。 In this embodiment, by modulating the operating voltage Vm, the output voltage Vout of the inverter IN is forcibly greatly changed, and the device-specific output data Dout is robust and highly reliable so as not to be influenced by environmental conditions. obtain. In one embodiment, when the change width of the output voltage Vout due to environmental conditions is ΔV, the change width Vx of the output voltage Vout of the inverter IN due to the change of the operating voltage Vm is, for example, Vx> ΔV. At this time, the reference voltage Vref of the comparator CMP may be dynamically changed to a voltage level corresponding to the changed value of the operating voltage Vm, or may be fixed as it is.
なお、図3に示す電圧依存回路では、インバータINをプルアップ抵抗とNMOSトランジスタにより構成したが、これは一例であり、インバータINは、動作電圧Vmを電源とするCMOSインバータであってもよい。また、コンパレータCMPを、固定電圧Vfを電源とするCMOSインバータに置き換えてもよいし、さらには、(CMOSインバータの)固定電圧Vfを変更させて、コンパレータ相当の動作をさせてもよい。 In the voltage dependent circuit shown in FIG. 3, the inverter IN is constituted by a pull-up resistor and an NMOS transistor. However, this is an example, and the inverter IN may be a CMOS inverter using the operating voltage Vm as a power source. Further, the comparator CMP may be replaced with a CMOS inverter that uses the fixed voltage Vf as a power source, and further, an operation corresponding to the comparator may be performed by changing the fixed voltage Vf (of the CMOS inverter).
データサンプラー140は、電圧変調制御信号Vcに応答してPUF回路130から出力される出力データVoutをサンプリングし、かつ保持する。データサンプラー140は、少なくとも1つの出力データVoutを蓄積し、サンプルされた出力データSDO1、SDO2、…SDOn(nは、1以上の整数)をPUFデータ出力部150へ提供する。
The data sampler 140 samples and holds the output data Vout output from the
PUFデータ出力部150は、データサンプラー140からサンプルされた出力データSDO1、SDO2、…SDOnを受け取り、受け取った出力データSDO1、SDO2、…、SDOnに基づき固有データPUFoutを生成し、これを出力する。PUFデータ出力部150は、複数のサンプルされた出力データSDO1、SDO2、…、SDOnから固有データPUFoutを生成するロジックとして、予め決められたまたは構成可能なロジック機能、例えば、重み付け過半数ロジック、確率機能、またはEXOR、EXNORなどを用いて、サンプルされた出力データを固有データPUFoutに変換する。さらには不安定なPUFoutの一部には、外部データあるいは内部演算からマスクすることが考えられることは言うまでもない。
The PUF
次に、本実施例のPUF生成装置の動作を図4の動作波形を参照して説明する。以下の説明では、電圧変調制御部110が電圧変調制御信号Vcとしてクロック信号を出力し、変調信号Vmが3つの電圧レベルV1、V2、V3で変化し、データサンプラー140が3つのサンプルされた出力データSDO1、SDO2、SDO3をPUFデータ出力部150に提供する例について説明する。
Next, the operation of the PUF generation apparatus according to the present embodiment will be described with reference to the operation waveform of FIG. In the following description, the voltage modulation control unit 110 outputs a clock signal as the voltage modulation control signal Vc, the modulation signal Vm changes at three voltage levels V1, V2, and V3, and the
電圧変調部120は、時刻t1で、電圧変調制御信号Vcの立ち上がりエッジに応答して変調信号Vcの電圧レベルをV1からV2に遷移させる。時刻t2で、変調信号Vcの電圧レベルが安定したとき、入力データDinは、電圧変調制御信号Vcと時間的に遅延して同期するように遷移する(HからL、またはLからH)。PUF回路130による処理が実行され、その一定時間後の時刻t3で、PUF回路130から出力データDoutが出力される。
The
データサンプラー140は、電圧変調制御信号Vcの1/3の周波数で生成されたサンプルクロック信号S_CLK1、S_CLK2、S_CLK3に応答して出力データVoiutをサンプルし、かつ保持する。時刻t4のとき、データサンプラー140は、サンプルクロック信号S_CLK1の立ち上がりエッジに応答して出力データDoutをサンプルし、サンプルした出力データSDO1が固有データ出力部150に提供される。サンプルされた出力データSDO1は、電圧レベルV2のときにPUF回路130から出力された出力データVoutである。
The data sampler 140 samples and holds the output data Voice in response to the sample clock signals S_CLK1, S_CLK2, and S_CLK3 generated at a frequency of 1/3 of the voltage modulation control signal Vc. At time t4, the data sampler 140 samples the output data Dout in response to the rising edge of the sample clock signal S_CLK1, and the sampled output data SDO1 is provided to the specific
次に、時刻t5で、電圧変調制御信号Vcの次のクロックの立ち上がりエッジに応答して変調信号Vcの電圧レベルがV2からV3に遷移する。時刻t5から一定時間遅延した時刻t6で、入力データDinが遷移し、時刻t7で、PUF回路130から出力データDoutが出力される。時刻t7から一定時間後の時刻t8で、サンプルクロック信号S_CLK2の立ち上がりエッジに応答して出力データDoutがデータサンプラー140にサンプルされかつホールドされ、サンプルされた出力データSDO2が固有データ出力部150に提供される。サンプルされた出力データSDO2は、電圧レベルV3のときにPUF回路130から出力された出力データVoutである。
Next, at time t5, the voltage level of the modulation signal Vc transitions from V2 to V3 in response to the rising edge of the next clock of the voltage modulation control signal Vc. The input data Din transitions at time t6 delayed from the time t5 by a certain time, and the output data Dout is output from the
次に、時刻t9で、電圧変調制御信号Vcの次のクロックの立ち上がりエッジに応答して変調信号Vcの電圧レベルがV3からV1に遷移する。時刻t9から一定時間遅延した時刻t10で、入力データDinが遷移し、時刻t11で、PUF回路130から出力データDoutが出力される。時刻t11から一定時間後の時刻t12で、サンプルクロック信号S_CLK3の立ち上がりエッジに応答して出力データDoutがデータサンプラー140にサンプルされかつホールドされ、サンプルされた出力データSDO3が固有データ出力部150に提供される。サンプルされた出力データSDO3は、電圧レベルV1のときにPUF回路130から出力された出力データVoutである。
Next, at time t9, the voltage level of the modulation signal Vc transitions from V3 to V1 in response to the rising edge of the next clock of the voltage modulation control signal Vc. The input data Din transitions at time t10 that is delayed from the time t9 by a certain time, and the output data Dout is output from the
次に、固有データ出力部150は、出力クロック信号O_CLKの立ち上がりエッジに応答して、サンプルされた出力データSDO1、SDO2、SDO3に基づき固有データPUFputを出力する。出力クロック信号O_CLKは、電圧変調性制御号Vcの1/3の周波数を有する。以後、同様に電圧レベルが変調され、それに伴いPUF回路130からの3つのサンプルされた出力データSDO1、SDO2、SDO3がデータサンプラー140によってサンプルされ、次の時刻t14で、3つのサンプルされた出力データSDO1、SDO2、SDO3に基づき固有データPUFoutが出力される。
Next, the unique
このように本実施例によれば、PUF回路130の動作電圧を変調させることで環境条件(電源電圧の変動や動作温度)の影響を吸収するようにしたので、固有データPUFoutの安定性、信頼性が向上する。さらに、複数のサンプルされた出力データSDO1、SDO2、…、SDOnを利用して固有データPUFoutを生成することで、固有データPUFoutの安定性、信頼性を保証することができる。
As described above, according to the present embodiment, the operation voltage of the
上記実施例では、電圧変調制御信号Vc、サンプルクロック信号S_CLK1、S_CLK2、S_CLK3、出力クロック信号O_CLKを使用するが、これらのクロック信号は、例えば、タイミング発生回路によって生成される。例えば、タイミング発生回路は、基準クロック信号に基づき、電圧変調制御信号Vc、サンプルクロック信号、出力クロック信号を生成することができる。クロックの生成方法は、任意であり、特に限定されるものではない。 In the above embodiment, the voltage modulation control signal Vc, the sample clock signals S_CLK1, S_CLK2, S_CLK3, and the output clock signal O_CLK are used. These clock signals are generated by, for example, a timing generation circuit. For example, the timing generation circuit can generate the voltage modulation control signal Vc, the sample clock signal, and the output clock signal based on the reference clock signal. The method for generating the clock is arbitrary and is not particularly limited.
上記実施例では、電圧レベルを3段階に変調させたがこれは一例であり、2段階であってもよいし、4段階以上であってもよい。また、上記実施例では、電圧変調制御信号Vcと入力データDinとを関連付けする例を示したが、入力データDinは、電圧変調制御信号Vcを遅延させたクロック信号であることができ、つまり、電圧変調制御信号Vcは、PUF回路のチャレンジ入力の一部であり得る。 In the above embodiment, the voltage level is modulated in three stages. However, this is an example, and may be two stages, or four or more stages. In the above embodiment, the example in which the voltage modulation control signal Vc and the input data Din are associated with each other is shown. However, the input data Din can be a clock signal obtained by delaying the voltage modulation control signal Vc. The voltage modulation control signal Vc may be part of the challenge input of the PUF circuit.
上記実施例では、電圧レベルを変調する例を示したが、これ以外にも、電流レベルを変調したり、回路のパラメータのトリミングデータを変調させるようにしてもよい。電流レベルを変調する場合には、PUF回路130は、入力と出力とのランダム性のある関係が電流レベルに依存する電流依存回路を含み、変調信号に応答して電流依存回路の電流を変化させる。また、トリミングデータを変調させる場合には、PUF回路130は、例えば、トリミングデータによって動作電圧を調整する機能を備えており、変調信号としてトリミングデータを最小から最大に変化させ、動作電圧を変化させるようにしてもよい。あるいは、PUF回路130の回路のパラメータを変調信号により変化させるようにしてもよい。
In the above-described embodiment, an example of modulating the voltage level is shown. However, other than this, the current level may be modulated, or the trimming data of the circuit parameters may be modulated. In the case of modulating the current level, the
上記実施例では、PUF回路として複数のインバータを例示したが、これは一例であり、これ以外の構成であってもよい。例えば、PUF回路は、可変抵抗素子を含む抵抗変化型のメモリアレイから構成されるものであってもよい。 In the said Example, although the some inverter was illustrated as a PUF circuit, this is an example and the structure of those other than this may be sufficient. For example, the PUF circuit may be composed of a resistance change type memory array including a variable resistance element.
次に、本実施例の変形例について説明する。上記実施例では、PUF回路130は、シングルビットの出力データVoutを出力するものであったが、本変形例では、図5(A)に示すように、PUF回路130Aは、入力バスDBinから複数ビットの入力データDinを受け取り、出力バスDBoutから複数ビットの出力データVoutを出力する。
Next, a modification of the present embodiment will be described. In the above embodiment, the
図5(B)に、PUF回路130Aの内部構成を示す。PUF回路130Aには、nビットの入力データDinが入力され、nビットの出力データDoutが出力される。すなわち、インバータIN−1には、入力データDin−1が入力され、インバータIN−2には、入力データDin−2が入力され、インバータIN−nには、入力データDin−nが入力される。入力データDin−1、Din−2、…Din−3は、一部が異なるデータであってもよいし、全てが同じデータであってもよい。同一の入力データを用いる場合には、電圧変調制御信号Vcのデータパターンを遅延したデータパターンがインバータIN−1、IN−2、…IN−nに共通に入力される。異なる入力データを用いる場合には、例えば、電圧変調制御信号Vcのデータを反転したデータを用いることができる。
FIG. 5B shows an internal configuration of the
コンパレータCMP−1、CMP−2、…、CMP−nの比較結果であるnビットの出力データVoutが出力バスDBoutに供給される。データサンプラー140は、一度にnビットの出力データVoutをサンプリングし、nビットのサンプルされた出力データSDO1、SDO2、…SDOnを固有データ出力部150へ提供する。固有データ出力部150は、nビットのサンプリングされた出力データSDO1、SDO2、…SDOnに基づき固有データPUFoutを生成し、これを出力する。
N-bit output data Vout, which is a comparison result of the comparators CMP-1, CMP-2,..., CMP-n, is supplied to the output bus DBout. The data sampler 140 samples the n-bit output data Vout at a time, and provides the n-bit sampled output data SDO1, SDO2,. The unique
本変形例によれば、PUF回路130Aが複数の入力データDinを並列に入力し、複数の出力データDoutを並列に出力するようにしたので、データサンプラー140は、一度に複数の出力データをサンプルすることが可能になり、固有データ出力部150は、多数のサンプルされた出力データから、より安定性、信頼性のある固有データを生成することができる。
According to this modification, since the
図6は、本実施例に係る認証システムの一例を示している。認証システム200は、本実施例のPUF生成装置を含む半導体装置210とホスト装置220とを含む。例えば、半導体装置210とホスト装置220とは、有線または無線により接続され、ホスト装置220は、半導体装置210から出力される固有データを利用して、半導体装置210が真正なものか否か(不正なものか否か)を認証する。1つの例では、ホスト装置220は、半導体装置210を認証することができた場合にのみ半導体装置210を使用することができ、認証することができない場合には、半導体装置210を使用することができない。ホスト装置220は、特に限定されないが、半導体装置210と連携する装置であり、例えば、コンピュータ装置、コンピュータシステム、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ等を含む。
FIG. 6 shows an example of an authentication system according to the present embodiment. The authentication system 200 includes a
半導体装置210は、それ自身が包含する回路または回路素子を利用して固有の情報を生成する。半導体装置210は、例えば、シリコン基板またはそれ以外の基板(例えば、SiC、GaAs、サファイアなど)上に、特定の機能を実行するための種々の回路や回路素子(例えば、トランジスタ、抵抗、コンデンサなど)を含み得る。さらに半導体装置210は、上記実施例で説明した固有データ生成装置10やPUF生成装置100を包含する。
The
ホスト装置220は、半導体装置210が接続されたとき、半導体装置210から固有データを受け取り、この固有データに基づき半導体装置210の認証を行う。認証は、どのようなタイミングで行われてもよいが、例えば、半導体装置210が初めて接続されたとき、あるいはホスト装置220がユーザーからリクエストを受けたときなどに認証が実施され得る。
When the
本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail, the present invention is not limited to the specific embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. It can be changed.
10:固有データ生成装置 20:変調制御部
30:変調部 40:PUF回路
50:データ保持部 60:固有データ出力部
100:PUF生成装置 110:電圧変調制御部
120:電圧変調部 130:PUF回路
132:電圧依存回路 134:ロジック
140:データサンプラー 150:PUFデータ出力部
10: Specific data generation device 20: Modulation control unit 30: Modulation unit 40: PUF circuit 50: Data holding unit 60: Specific data output unit 100: PUF generation device 110: Voltage modulation control unit 120: Voltage modulation unit 130: PUF circuit 132: Voltage dependent circuit 134: Logic 140: Data sampler 150: PUF data output unit
Claims (11)
デバイスに固有であるランダムな変動に基づき入力データと出力データとの間の関係を規定し、かつ前記変調信号に基づき前記出力データを変化させるPUF手段と、
前記PUF手段から出力された出力データに基づき固有データを生成し、生成した固有データを出力する固有データ出力手段と、
を有する固有データ生成装置。 Modulation means for modulating a signal based on a modulation control signal for controlling modulation and outputting the modulated signal;
PUF means for defining a relationship between input data and output data based on random variations inherent in the device, and for changing the output data based on the modulated signal;
Unique data output means for generating unique data based on the output data output from the PUF means, and outputting the generated unique data;
A unique data generating apparatus.
前記PUF手段は、電圧レベルの変調に応答して前記出力データを変化させる、請求項1に記載の固有データ生成装置。 The modulating means modulates a voltage level based on the modulation control signal;
The unique data generation device according to claim 1, wherein the PUF means changes the output data in response to voltage level modulation.
前記PUF手段は、m段階の電圧レベルの変調に応答してm個の出力データを出力し、
前記固有データ出力手段は、予め規定されたロジックに基づきm個の出力データを1つの固有データに変換する、請求項1または2に記載の固有データ生成装置。 The modulation means modulates the voltage level in m steps (m is an integer of 2 or more);
The PUF means outputs m output data in response to the modulation of the voltage level of m stages.
The unique data generation apparatus according to claim 1, wherein the unique data output unit converts m pieces of output data into one unique data based on a predetermined logic.
前記入力データは、前記変調制御信号のデータパターンに関連付けされたデータパターンを有する、請求項1に記載の固有データ生成装置。 The unique data generation device further includes modulation control means for generating the modulation control signal,
The unique data generation device according to claim 1, wherein the input data has a data pattern associated with a data pattern of the modulation control signal.
前記固有データ出力手段は、前記出力バスから出力された複数の出力データに基づき固有データを生成する、請求項1ないし6いずれか1つに記載の固有データ生成装置。 The PUF means includes an input bus for inputting a plurality of input data and an output bus for outputting a plurality of output data,
The unique data generation apparatus according to claim 1, wherein the unique data output unit generates unique data based on a plurality of output data output from the output bus.
前記PUF手段は、電流レベルの変調に応答して出力データを変化させる、請求項1に記載の固有データ生成装置。 The modulation means modulates a current level based on the modulation control signal,
The unique data generation apparatus according to claim 1, wherein the PUF unit changes output data in response to modulation of a current level.
前記PUF手段は、トリミングデータの変調に応答して出力データを変化させる、請求項1に記載の固有データ生成装置。 The modulating means modulates trimming data based on the modulation control signal;
The unique data generation apparatus according to claim 1, wherein the PUF unit changes output data in response to modulation of trimming data.
特定の機能を実行する回路と、
少なくとも前記固有データ生成手段にそれぞれ接続された外部端子とを有し、
前記外部端子は、前記固有データを外部に出力する、半導体装置。 The unique data generation device according to any one of claims 1 to 9,
A circuit that performs a specific function;
And at least external terminals respectively connected to the unique data generating means,
The external terminal is a semiconductor device that outputs the unique data to the outside.
前記半導体装置に接続されたホスト装置とを含み、
前記ホスト装置は、前記半導体装置から出力される固有データに基づき前記半導体装置の認証を行う認証システム。 A semiconductor device according to claim 10;
A host device connected to the semiconductor device,
An authentication system in which the host device authenticates the semiconductor device based on unique data output from the semiconductor device.
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